多转子系统弯扭耦合振动分析的整体传递矩阵法

介绍了多转子系统弯扭耦合振动分析的整体传递矩阵法,推导了考虑弯扭耦合的齿轮耦合单元的传递矩阵,将整体传递矩阵法推广、应用于包含齿轮啮合效应的齿轮传动转子多轴系统弯扭耦合振动的动力计算问题中。采用整体传递矩阵法对具有齿轮啮合的多转子相互耦合系统的临界转速进行了计算。计算结果表明,这是一种精确度高,简便实用的方法,适于工程技术人员在微机上应用。     

不同自由度耦合斜齿轮转子系统的振动特性

以一个两对斜齿轮耦合的三平行轴转子系统为研究对象,考虑静态传递误差和齿轮几何偏心等因素的影响,建立了全自由度通用齿轮啮合动力学模型。将其与转子系统有限元模型进行耦合,建立了平行轴系齿轮转子系统有限元模型。转子系统采用梁单元模拟,齿轮之间的啮合通过啮合刚度矩阵和阻尼矩阵模拟,并分析了不同自由度耦合下系统的固有特性和振动响应特性。研究结果表明,考虑弯扭耦合和弯扭轴摆耦合会产生较多的弯扭耦合频率,响应计算结果出现的峰值点均对应系统的固有频率,而考虑弯扭轴摆耦合可以更好地表征系统的不同自由度的耦合振动情况。此研究结果可为齿轮耦合转子系统设计提供参考。     

多轴齿轮耦合转子系统的振动分析

以膨胀机子系统为研究对象,考虑静态传递误差,建立了斜齿轮啮合副动力学模型,同时考虑转子系统的影响,建立了三平行轴系齿轮转子系统有限元模型;对齿轮弯-扭耦合膨胀机子系统进行了不平衡响应分析,同时考虑轴承刚度、齿轮螺旋角对齿轮动态啮合力的影响。研究表明,膨胀机子系统因为齿轮的耦合振动而明显加剧,齿轮耦合使系统振型表现为耦合振型,因此必须以耦合的方式分析系统的振动特性;轴承处刚度及螺旋角对相对应的齿轮啮合处的动态啮合力影响很大,甚至使动态啮合力峰值发生了偏移,为转子系统轴承刚度的确定以及齿轮的设计都提供了较好的理论基础。     

齿轮-转子系统的振动特性分析

根据转子动力学和齿轮啮合的基本原理,建立了考虑陀螺力矩的齿轮转子系统的动力学模型,以此求得齿轮转子啮合刚度矩阵和阻尼矩阵。探讨了啮合刚度、支承刚度对系统固有频率以及系统稳定性的影响。结果表明齿轮的啮合刚度对弯曲振动以及弯扭耦合振动固有频率的影响不大,而当啮合刚度介于2×105~2×108之间时,对弯扭耦合振动的相对稳定性却有较大的影响;另增大支承刚度,固有频率相应提高;减小跨距可以提高系统的稳定性。分析结果对工程应用具有重要的意义。     

齿轮轴系弯扭耦合振动理论的统一

在研究齿轮轴系的弯扭耦合振动时,有两种常用的耦合模型,即力耦合模型和几何耦合模型。本文证明,这两种耦合模型以及基于这两种耦合模型构建的齿轮轴系弯扭耦合振动方程可以被统一到一个统一的模式中;几何耦合模型是力耦合模型的特例,几何耦合模型及基于几何耦合模型的齿轮轴系弯扭耦合振动方程可分别从力耦合模型及基于力耦合模型的齿轮轴系弯扭耦合振动方程中导出,从而大大方便和简化了用几何耦合模型构建齿轮耦合轴系弯扭耦合振动方程的过程。对这两种耦合模型进行的数值计算与分析表明,在进行齿轮耦合轴系转子动力学研究时,几何耦合模型和力耦合模型具有相同的效果,而且力耦合模型中齿轮啮合刚度的取值对计算结果几乎没有影响。     

负荷对整体齿轮增速式离心压缩机转子系统动力学特性的影响研究

整体齿轮增速式离心压缩机振动特性较单转子压缩机更为复杂,由于存在齿轮啮合作用,齿轮-转子-轴承系统耦合出新的频率、振动峰值。本文以一台在役的4轴6级整体齿轮增速式离心压缩机为研究对象,建立齿轮-转子-轴承系统的弯扭耦合有限元模型,分析在工作转速下不断提升负荷过程中耦合系统的动力学特性。模态分析表明:随着负荷增大,耦合频率中的单轴弯扭耦合频率增幅较大,并在75%负荷时与激振频率相交;不平衡响应分析表明:随着负荷增大,在80%负荷时出现临界负荷点,轴承处出现振动峰值。稳定性分析表明:随着负荷增大,单轴弯曲频率所对应的对数衰减率降低,单轴弯扭耦合频率所对应的对数衰减率部分增大、部分降低,多轴弯扭耦合频率所对应的对数衰减率增大。     

纯电动汽车高速斜齿轮传动振动特性分析

为研究高转速情况下时变啮合刚度和啮合冲击对斜齿轮传动振动特性的影响,以某纯电动汽车高速斜齿轮传动为研究对象,建立了弯-扭-轴动力学模型;采用改进的基于承载接触分析的计算方法获得时变啮合刚度曲线,并计算了啮合冲击时间及啮合冲击力幅值;分析了时变啮合刚度、啮合冲击以及两者综合3种激励条件下高速斜齿轮传动系统的振动特性。结果表明：时变啮合刚度激励下,在过共振区,转速变化对系统振动的影响不显著;啮合冲击激励以及综合激励条件下,系统振动随转速的升高而增大,与啮合冲击激励相比,综合激励下振动加速度增幅较缓。研究结果可为纯电动汽车高速斜齿轮传动的设计和工程应用提供参考依据。     

基于啮合特性的弧齿锥齿轮动力学研究

为了改善弧齿锥齿轮的振动特性,通过轮齿承载接触分析计算时变啮合刚度激励;再根据轮齿接触分析、载荷分配系数和啮合冲击模型近似计算出啮入冲击激励。应用集中质量法建立弧齿锥齿轮弯-扭-轴耦合的8自由度动力学模型。推导其运动微分方程,并进行了消除刚体位移和量纲归一化处理。采用变步长四阶龙格-库塔法(Runge-Kutta)求解,从而得到系统的振动响应。分析了传动误差幅值和重合度对齿轮副振动的影响。结果表明,传动误差的增大,振动也随之增大,增大设计重合度,能够减小振动。     

燃气轮机齿轮耦合转子系统动力学特性分析

为了降低燃气轮机齿轮转子系统不平衡响应,采用了耦合转子动力学方法对系统进行分析评价,在考虑齿轮啮合及轴承动力特性系数的基础上,利用传递矩阵法分别建立了两单轴转子的弯曲振动分析模型,推导了人字齿轮耦合单元的传递矩阵,应用整体传递矩阵建立了人字齿轮转子系统的弯扭耦合振动分析模型,对某燃气轮机齿轮-转子-轴承系统进行了振动特性分析。通过数值计算与分析,获得单轴转子以及齿轮耦合转子的不平衡响应。研究结果表明,该齿轮耦合使转子系统不平衡响应增大,同时传动系统的工作转速远离临界转速,系统处于安全稳定状态。     

齿轮耦合的故障转子系统弯扭耦合振动特性研究

利用有限元方法研究了齿轮耦合汽轮机组转子系统健康时与发生裂纹故障、碰摩故障时的系统弯扭耦合振动特性。根据转子系统各阶临界转速的变化情况,并结合动态响应图,分析研究了转子系统发生裂纹、碰摩故障时的一些非线性动态特性。通过对转子系统弯扭耦合振动特性的研究,为设计工作提供参考。     

基于接触有限元的齿轮-转子系统动态特性分析

考虑齿轮-转子系统各部件的弹性,基于接触有限元理论提出一种能够高保真模拟齿轮副连续啮合过程的动态特性分析方法。该方法利用实体有限元进行系统建模,可体现各部件的结构特征;基于接触有限元进行啮合过程仿真,可模拟系统的时变刚度、啮合冲击等真实激励进而得到全面准确的响应信息。以一直齿轮-转子系统为例进行啮合过程的数值仿真,利用中心差分法求得系统各动力学参量在时域上的响应,通过中心距偏差、动态传递误差、动态接触力等参数分析系统的弯曲振动、扭转振动、齿轮副的啮合特性及其耦合关系。研究结果表明：考虑各部件尤其是转子的弹性后,系统的非线性振动特性显著,齿轮副啮合存在明显的双边冲击及脱啮现象。     

多平行轴齿轮耦合转子系统的振动响应

以一个两对斜齿轮耦合的三平行轴转子系统膨胀机子系统为研究对象,建立了斜齿轮啮合副动力学模型和转子系统有限元模型,考虑了齿轮啮合刚度、方位角、啮合角、螺旋角以及主动轴转动方向的影响,推导出齿轮啮合刚度矩阵。基于模态叠加法,对弯-扭耦合转子系统膨胀机子系统进行了固有特性分析和瞬态方式的不平衡响应分析,得到齿轮啮合前、后系统加载处的不平衡响应变化曲线。研究表明,齿轮间的耦合使系统之间的振动强烈,系统可能会在某个非固有频率处不平衡响应进行积累叠加,出现最大振动的现象,同时识别出共振峰的产生机理。齿轮耦合对转子系统动力学特性产生了很大的影响,使系统振型表现为耦合振型,必须以耦合的方式分析系统的振动特性,为防止系统发生大的振动提供依据,对齿轮系统的设计和故障分析具有指导意义。     

含柔性转子的齿轮-轴承系统动态特性分析

为了分析齿轮系统动力学中的全耦合振动,提出采用虚拟样机建模的方法,将柔性转子引入到啮合耦合系统中,考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙和轴承间隙的影响,建立齿轮-柔性转子-轴承系统虚拟样机模型,通过求解模型的动力学方程得到系统的非线性动力学响应。仿真结果表明:考虑柔性转子的耦合系统,啮合冲击峰值下降明显;转子柔性增加,齿轮低频扭转振动出现"拍"现象;高速轻载时啮合振动非线性特性增强;轴承间隙增大使啮合力振动幅值显著增大。     

齿轮刚度及制造误差对多平行轴转子系统动力学性能的影响

分析了具有斜齿圆柱齿轮传动的多平行轴转子系统，在统一的坐标系下，建立了系统的动力学模型，考虑了系统的弯扭耦合、陀螺力矩及滑动轴承的支承刚度和阻尼。计算了系统的固有频率、动态响应及幅频特性，重点分析了齿轮的刚度、阻尼和制造误差对多平行轴转子系统动力学性能的影响     

Effects of different coupling models of a helical gear system on vibration characteristics

Time-varying mesh stiffness (TVMS) and the dynamic coupling between the helical gears have a great influence on the vibration characteristics of a helical gear rotor system. Considering the effects of TVMS and adopting two coupling models (lateral-torsional coupling model and lateral-torsional-axial-swing coupling model), the dynamic behavior of a helical gear system was studied. First, an analytical model was used to analyze TVMS of a helical gear pair where the helical tooth is simulated by many spur tooth slices along the direction of the tooth width and the mesh stiffness of each slice is calculated using the energy method. Then, considering the effects of the TVMS excitation, the finite element model of a helical gear rotor system was established. Gear mesh was simulated by the above-mentioned two coupling models to investigate the effects of coupling forms on the system vibration characteristics. The strain energy was used to distinguish the dominant mode and dominant shaft of a gear system in natural characteristics analysis. The results show that the full coupling model can analyze accurately the vibration characteristics of the system and the axial and swing motions cannot be ignored in vibration analysis. Finally, the effects of helix angle on TVMS and vibration responses of a helical gear system were also studied.     

斜齿轮副动态特性对支承结构参数的灵敏度

针对斜齿轮副动特性的灵敏度问题 ,考虑轴和轴承的柔性以及由于轮齿啮合而产生的横向运动、扭转运动、轴向运动与旋转 (摆动 )运动间的动态耦合的影响 ,建立了斜齿轮传动系统的动力学模型 ,推导了固有频率及动态啮合挠度相对于斜齿轮副支承结构参数的灵敏度计算公式 ,并给出了实例。这一方法可用于斜齿轮传动系统的动态优化设计及改进设计     

基于线性规划法的齿轮啮合刚度与载荷分布计算的改进方法

齿轮副啮合刚度和轮齿传递载荷的周期性变化是齿轮系统产生振动的主要内部激励之一。本文提出了一种基于线性规划法计算轮副啮合刚度和载荷分布的改进方法。该方法利用造型软件Pro-E建立具有真实渐开线齿廓的齿轮实体三维模型,运用有限元软件ANSYS计算齿面柔度系数。该方法的另一优势是整个计算过程能够实现参数化。文末利用本文提出的方法计算了一对外啮合斜齿轮,计算结果证明改进方法有效。     

Lateral-torsional coupled vibration of a propulsion shaft with a diesel engine supported by a resilient mount

Lateral-torsional coupled vibration destabilizes a rotating system. The instability region of the rotating system is the speed range where the frequencies of the lateral and torsional modes intersect. In this study, the abnormally increased vibration of the typical diesel engine-reduction gear propulsion system for a naval vessel was examined in relation to the lateral-torsional coupled vibration under the assumption that it can be approximated by the Jeffcott rotor with three degrees of freedom. Through numerical and experimental investigation, a protection method was developed to avoid the unstable region of the diesel engine-reduction gear propulsion system.     

多平行轴系离心压缩机振动耦合传递特性研究

整体齿轮增速式压缩机由于其结构紧凑、效率高而在现代流程工业中得到广泛的应用,然而由于该类型压缩机为多平行轴系结构,其轴承载荷随着压缩机负荷而发生变化,使得该类转子的动力学分析异常复杂。本文以某实际压缩机组为研究对象,建立了齿轮-轴承-转子的弯曲-扭转耦合系统有限元模型。首先对未耦合的单转子进行刚性支撑下的模态分析和弹性支撑下的不平衡响应分析,并同实测结果对比以确定分析结果的可靠性。在此基础上,研究并揭示了轴承载荷导致的刚度系数变化对转子临界转速和不平衡响应的影响规律,同时对比分析不平衡振动在各个转子之间的传递特性。研究结果表明转子振动幅值会随着压缩机负荷的增加而增加,而齿轮啮合刚度会增大转子振动对不平衡的敏感程度。本论文研究结果可为齿轮增速式离心压缩机的设计以及基于模型的压缩机故障诊断提供一定的理论参考。